王 章 祝小龙 纪 芳 郏 威 刘 康 梁 峰 王南南 刘志勇

（安徽马钢矿业资源集团有限公司）

随着国家生态环境保护越来越严格，冶金地下矿山多采用充填采矿方法。充填采矿利用废石或尾砂等废弃物充填地下采空区，可提供有效支撑，防止上下盘围岩及顶板冒落，有效保护矿区地表；还能减少甚至停止矿山废弃物排放，保护矿区周边的生态环境。高质量充填有利于控制采场地压，避免发生冒顶、突水、地表塌陷、泥石流、大规模地压活动等安全事故，保证采矿作业顺利进行；灵活的充填采矿生产计划，更有利于矿山实现稳产高产。同时充填采矿无需保留大量保安矿柱，可最大程度回收地下矿产资源，提升矿井的服务年限［1-4］。

马钢矿业现有多座地下矿山，均采用充填采矿方法。经过多年来充填采矿实践，在充填料制备、输送等方面取得了一定经验，同时在尾矿浓密、充填采场控制等方面尚存在一些问题。

1 充填采矿方法

冶金矿床开采方式主要分为露天开采和地下开采，露天开采矿床埋藏较浅，技术、经济优越性较大；随着露天开采深度增加，剥岩量不断增大，地表浅层的矿床开采殆尽，逐步转入深部矿体开采。马钢矿业资源集团有限公司除南山矿的高村铁矿、和尚铁矿矿体埋藏浅，采用露天开采外，和睦山铁矿、白象山铁矿、罗河铁矿及张庄铁矿因矿体埋藏深，均采用地下开采。

地下开采方法一般有空场法、崩落法、充填法3类。空场采矿法需要保留大量矿柱，资源回收率低，不能满足资源充分利用的要求；崩落法要求地表允许崩落，造成地面塌陷，对环境影响较大。因此，安徽省已明确要求新建铁矿采矿采用充填采矿方法。目前马钢矿业所属和睦山铁矿、白象山铁矿、罗河铁矿、张庄铁矿4个地下矿山均采用充填开采，各矿山根据其工程地质、水文地质条件、矿体赋存情况，选择相应的充填采矿方法。和睦山铁矿矿岩破碎，白象山铁矿水文地质条件复杂，主要采用进路充填采矿法；罗河铁矿、张庄铁矿矿岩稳固，矿体厚大、完整，主要采用阶段空场嗣后充填采矿法（表1）。

2 充填工艺关键技术

充填采矿工艺主要包括选厂尾矿输送至充填站浓密，充填料制备、输送，充填采场管理等，系统工艺流程见图1。充填料到达地下采空区，经固结形成充填体，对地下采场起到支撑作用，保证地下采矿安全。

2.1 全尾砂浓密

尾矿浓密就是较低浓度的尾砂在絮凝剂的作用下絮凝，排除多余含水量，提升浓度。选矿厂尾矿大井底流全尾砂通过泵压输送至充填站，进入尾矿浓密装置（立式砂仓或深锥浓密机）；一定浓度、流量的絮凝剂溶液从浓密装置顶部多点加入，絮凝剂与尾矿颗粒充分发生物理化学反应。尾矿性质不同，选用的絮凝剂也不同；尾矿粒度不同，絮凝剂的使用量也不同。尾矿絮团在重力作用下沉淀，利用高压气液或爬架旋转作为造浆动力，在浓密装置底部获得较高浓度、流量的浓密尾矿。控制浓密装置内料层高度，满足连续稳定充填要求；同时避免砂仓底部板结或深锥浓密机压耙。砂面上部的澄清水溢流排出供生产循环使用。尾矿浓密情况见表2。

2.2 充填料浆制备与输送

充填料浆制备就是将浓密尾砂、胶结剂、适量水按一定比例混合搅拌而成。胶结剂一般选用水泥，根据尾矿粒度、含泥量等性质不同，选用矿渣微粉、钢渣微粉等水泥替代品。浓密尾砂、胶结剂及补充水经各自的供料线进入搅拌装置，补充水根据需要添加。搅拌采用立式或卧式搅拌机（搅拌桶），选择一段或两段搅拌；两段搅拌时间长，充填料浆会更加均匀、流动性更好。充填料浆制备情况见表3。

充填料浆输送可以采用自流输送或泵压输送。马钢矿业地下铁矿充填倍线小，均采用自流输送。充填料浆进入充填料下料斗，通过充填钻孔及井下充填管网自流输送至井下采场空区进行充填。垂直钻孔转水平管路同径或变径连接，充填钻孔内置高锰钢管，孔口段套管一般放置无缝钢管；水平管路一般采用耐磨复合钢管，进入矿房使用PE高分子聚合管。充填料浆输送情况见表4。

2.3 充填采场控制

地下采空区充填过程控制包括充填前对采空区三维空间进行探测、对各出口进行封堵，充填过程中做好排气、排水，充填结束后充填体强度满足生产要求。充填采场控制情况见表5。

（1）采空区探测。阶段或分段空场嗣后充填采矿一般采用一步开采—充填空区—二步开采，一步开采结束后应进行采空区实测，为空区充填及二步回采设计（穿孔爆破等）施工提供依据。采空区一般采用三维（CMS）探测，实测采空区三维形态。

（2）采场封堵。采空区充填前对矿柱底部切割巷道、出矿巷道等端部进行封堵，在保证安全的前提下，出矿巷道封堵尽量靠近采空区一侧，若出矿眉线破坏过多影响到二步骤开采矿房一侧，可开掘出矿巷道内部分充填体。

（3）采场排气、排水。在采场顶部布设排气管；在采场切割巷道端部封堵过程中，根据采场规格在下、中、上部不同位置布置排水管，析出水由水沟或放水孔排走。矿房顶部稍有倾斜、靠近下盘稍低，泌水由下盘侧滤水管放出，上盘侧排气。排水管前期排清澈水，后期滤水变浑浊说明基本接顶，则停止充填。上盘排气管出砂表明基本接顶，则停止充填。

（4）充填体强度。实践中多采用类比法确定充填体强度范围，根据具体矿岩力学性质、回采顺序、采矿方法、充填体作用及暴露时间等确定具体充填体强度。分段或阶段空场充填体规模大，强度较分层充填要求高。分步开采采场一步骤充填体强度较大，二步骤强度较小。垂直方向上分层充填，底层及顶层强度较大，中间层强度较小。

2.4 充填成本管理

充填成本主要包括人工费用、胶结剂、其他耗材费用等，其中胶结剂占70%以上，应尽可能降低充填成本。采场分层充填，采用不同的充填配比，在满足充填体稳定性要求的基础上控制充填成本。成本情况见表6。

综合分析马钢矿业4个矿山充填成本情况，得知罗河铁矿、张庄铁矿胶结剂消耗大，综合成本相对较高；和睦山铁矿、白象山铁矿其他耗材成本高，主要是絮凝剂使用量大。罗河铁矿、张庄铁矿需要进一步细化采场分层、分区充填环节，尽可能降低综合充填配比，减少胶结剂使用量，降低综合成本；和睦山铁矿、白象山铁矿需进一步探索，寻求最优絮凝剂的用量，包括絮凝剂溶液浓度、流量及添加方式等，既满足絮凝效果、又确保使用量最小。

3 存在问题及应对举措

通过对马钢矿业4个矿山开展的充填采矿工艺分析，针对不同矿山存在的问题，提出相应的应对举措，具体如下：

（1）和睦山铁矿、白象山铁矿采用砂仓进行尾砂浓密，结底比较严重。立式或卧式砂仓尾砂需要人工定期清理结底，工作量大。现场采取多项举措，一是扩大卧式砂仓造浆范围，避免或减少死角；二是多点添加絮凝剂，提高絮凝效果，充分发生絮凝作用；三是压气造浆，料浆保持动态平衡，同时控制造浆动力，防止溢流水跑浑。

（2）张庄铁矿充填体泌水较多。通过开展技术攻关得出以下举措，一是在采场切割巷道端部封堵过程中，根据采场长度在不同位置多点布置滤水管、排水管，滤水管采用新型材料制成，透水性好，及时将泌水排出；二是提升充填料浆浓度，降低采场充填体泌水率。

（3）白象山铁矿充填体不易凝固。经分析主要原因是尾砂颗粒细、含泥量高，充填料浆浓度低，不易脱水，井下采场充填体不易凝固成形。采取两方面举措，一是采用两级搅拌，保证尾砂与胶结剂充分反应，二是充填料浆在采场充分泌水，缩短充填体初凝时间，尽快固结，满足连续充填采矿要求。

（4）罗河铁矿、张庄铁矿采场规格大，充填体稳定性受到挑战。大规格采场充填体垮落时有发生，应对举措：一是一步骤采场充填严格按设计组织穿爆作业，保证采空区尺寸规整；二是二步骤开采采取控制爆破，减轻对充填体影响，可预留部分矿壁支撑充填体，避免或减少充填体垮落，降低矿石损失贫化。